Нестационарный режим водохранилища: опыт моделирования русловых процессов с подвижным дном

В работе приводятся результаты взаимосвязанного расчета неустановившегося неравномерного движения речного потока и переформирования дна крупнейшего в Евразии проточного Куйбышевского водохранилища в разные фазы водности. В основе этих расчетов лежат гидродинамическая модель «Волна» и алгоритмы расчета твердого стока (аналитическая формула расхода наносов), изменения транспортирующего потенциала потока и, как следствие последнего, изменения отметок дна. При этом динамика отметок дна учитывается в последующих расчетах и является одним из аргументов модели. На основе проведенных модельных расчетов исследовано пространственное распределение донных отложений в акватории водохранилища и построены карты аккумуляции и размыва ложа в разные фазы водности. Показано, что за весь расчетный период наблюдается неравномерное перераспределение наносов в водохранилище: в верхней части происходит размыв, а в средней и нижней — аккумуляция. В целом для Куйбышевского водохранилища вклад в заиление только русловыми наносами незначителен. В среднем за 150-дневный период моделирования для всей акватории водохранилища аккумуляция наносов составляет 0.5 мм/период. Слабая динамика течений на обширной акватории плесов водохранилища не способствует активным русловым преобразованиям. Наиболее интенсивно процессы преобразования дна протекают в местах сужения акватории, где лучше всего выражен вклад нестационарного режима в формирование рельефа дна на подъеме и спаде половодья. Более полноводные годы также приведут к более интенсивному перераспределению поступающего из верхних створов твердого стока и донных отложений.

1. Kerssens P.J.M., van Rijn L.C. Model for non-steady suspended sediment transport // Project Engineers Delft hydraulics laboratory. Delft, Netherlands, 1977. 8 p.

2. Van Rijn L.C. Sedimentation of dredged channels by currents and waves // Journal of Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering. 1986. Vol. 112, N 5. P. 541–559.

3. Nicolas A.P. Modeling and monitoring flow and suspended sediment transport in lowland river flood plain environments // Erosion and Sediment transport Measurement in River: Technological and Methodological Advances (Proceedings of the Oslo Workshop, June 2002). IAHS Publ. 2003. 283 p.

4. Singh V. Two-dimensional sediment transport model using parallel computers // B. Tech. Banaras Hindu University, India. 2002. 109 p.

5. Wu Weiming. Computational River Dynamics. CRC Press, 2007. 509 p.

6. Хабидов А.Ш., Леонтьев И.О., Марусин К.В., Шлычков В.А., Савкин В.М., Кусковский В.С. Управление состоянием берегов водохранилищ. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2009. 239 с.

7. Sanchez A., Wu W. A non-equilibrium sediment transport model for coastal inlets and navigation channels. In: Roberts T.M., Rosati J.D., and Wang P. (eds.) // Proceedings, Symposium to Honor Dr. Nicholas C. Kraus. Journal of Coastal Research. Special Issue. 2011. N 59. P. 39–48.

8. Потапов И.И., Снигур К.С. Моделирование эволюции песчано-гравийного дна канала в одномерном приближении // Компьютерные исследования и моделирование. 2015. Т. 7, № 2. С. 315–328.

9. GeoniCS Каналы и реки (Aquaterra). 2013. URL: http://www.csoft.ru/catalog/soft/aquaterra/aquaterra-2013.html (дата обращения: 04.02.2022).

10. DHI. URL: http://www.dhigroup.com (дата обращения: 04.02.2022).

11. HEC-RAS, River Analysis System Hydraulic Reference Manual (CPD‑69). Gary W., Brunner. Version 4.1. January 2010. 411 p.

12. SOBEK Suite. URL: https://www.deltares.nl/en/software/sobek/ (дата обращения: 04.02.2022).

13. Лепихин А.П., Тиунов А.А. Современные гидродинамические модели русловых процессов // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2019. № 4. С. 114–143. doi:10.35567/1999-4508-2019-4-6

14. Berger R.C., Tate J.N., Brown G.L., Savant G. Adaptive Hydraulics (AdH) Version 4.5. Hydrodynamic User Manual. January. 2015.

15. Delft3D-FLOW Simulation of multi-dimensional hydrodynamic flows and transport phenomena, including sediments. User Manual. January 12, 2011 Delft Deltares. 672 p.

16. Reference Manual «RiverFlow2D Two-Dimensional River Dynamics Model», August, 2016, Hydronia LLC. 229 p.

17. Куйбышевское водохранилище / Ред. А.В. Монаков. Л.: Наука, 1983. 214 с.

18. Широков В.М. Формирование современных донных отложений в Куйбышевском водохранилище // Труды Куйбышевской гидрометеорологической обсерватории. 1965. Вып. 5. С. 28–32.

19. Законнов В.В., Законнова А.В., Цветков А.И., Шерышева Н.Г. Гидродинамические процессы и их роль в формировании донных осадков водохранилищ Волжско-Камского каскада // Труды ИБВВ РАН. 2018. Вып. 81 (84). С. 35–46. doi:10.24411/0320-3557-2018-1-0004

20. Рахуба А.В. Опыт использования измерительно-вычислительной системы «Хитон-Волна» в гидроэкологических исследованиях прибрежной акватории г. Тольятти // Сборник научных трудов по материалам 8-й Международной научно-практической конференции. Экологические проблемы промышленных городов. Саратов: Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., 2017. С. 484–488.

21. Шмакова М.В. Расчёты твердого стока рек и заиления водохранилищ. СПб.: Издательство ВВМ, 2018. 149 с.

22. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики: учеб. пособие. М.: Наука, 1989. 608 с.

23. Вольцингер Н.Е., Пясковский Р.В. Теория мелкой воды. Океанологические задачи и численные методы. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. 207 с.

24. Рахуба А.В., Шмакова М.В., Кондратьев С.А. Численное моделирование массопереноса в проточном водоеме // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2021. Т. 14, № 2. С. 89–97. doi.10.7868/S2073667321020088

25. Кондратьев С.А., Шмакова М.В., Игнатьева Н.В., Иванова Е.В., Гузиватый В.В. Экспериментальные и модельные исследования распространения вод реки Ижоры в русле реки Невы // Фундаментальная и прикладная гидрофизика. 2020. Т. 13. № 3. С. 83–92. doi:10.7868/S2073667320030077

26. Рахуба А.В., Шмакова М.В. Численное моделирование заиления приплотинного плеса Куйбышевского водохранилища речными наносами // Метеорология и гидрология. 2018. № 1. С. 68–75.

27. Алексеевский Н.И., Беркович К.М., Чалов Р.С., Чалов С.Р. Пространственно-временная изменчивость русловых деформаций на реках России // География и природные ресурсы. 2012. № 3. С. 13–21.

28. Ступишин А.В., Трофимов А.М., Широков В.М. Географические особенности формирования берегов и ложа Куйбышевского водохранилища. Казань: Изд-во Казан. ун-та, 1981. 184 с.

29. Изменения уровней водохранилищ ГЭС РусГидро. URL: http://www.rushydro.ru/hydrology/informer/ (дата обращения: 26.04.2022)

30. Гидрологический ежегодник 2015 г. Т. 1 Вып. 24, ч. 1–2. Бассейн р. Волги (среднее и нижнее течение) и Урала. Самара: Приволжское УГМС, 2016. 318.